4 Minutės
Ilinojaus universiteto Urbanoje-Šampeine švariojoje patalpoje inžinieriai nebemėgina bet kokia kaina kurti vis mažesnių tranzistorių. Jie renkasi kitą kryptį: stato aukštyn. Įsivaizduokite plokšteles, sudėtas tarsi mažyčiai miesto kvartalai, kuriuose jungčių gatvės kyla vertikaliai, o ne driekiasi begaline horizontalia plokštuma. Tai paprastas posūkis, galintis turėti milžiniškų pasekmių.
Dešimtmečius puslaidininkių pramonės pažanga rėmėsi viena idėja: mažinti tranzistorius ir sutalpinti jų daugiau plokščiame kristale. Maždaug 60 metų tai veikė įspūdingai gerai, tačiau fizika tapo vis mažiau nuolaidi. Vartų ilgiai ir medžiagų ribos jau priartėjo prie atominių mastelių, o kvantinių reiškinių neįmanoma tiesiog ignoruoti. Tad iš kur turėtų ateiti kitas skaičiavimo tankio šuolis? Daugelis mano, kad atsakymas slypi vertikalioje integracijoje.
Vertikalus šuolis silicio lustams
UIUC mokslininkai paskelbė naują procesą, leidžiantį tiesiogiai krauti kelis vienakristalio silicio grandynų sluoksnius vieną ant kito. Užuot gaminus atskiras plokšteles ir jas sujungus, kiekvienas funkcinis silicio sluoksnis auginamas arba formuojamas vietoje, ant ankstesnio sluoksnio. Rezultatas: gerokai tankesnės vertikalios jungtys, nanometrinio tikslumo sulygiavimas ir daug mažesni tarpai tarp sluoksnių, nei leidžia dabartiniai sujungimo metodai.
Tai gali skambėti kaip nedidelis inžinerinis patobulinimas. Taip nėra. Šiandien naudojamos komercinės 3D technologijos, nuo didelio pralaidumo atminties iki AMD 3D V-Cache, paprastai remiasi jau pagamintų plokštelių sujungimu ir per silicį einančių vertikalių kontaktų, vadinamų TSV, naudojimu. Palyginti su naujuoju metodu, tokios jungtys yra gremėzdiškos, o sulygiavimo tolerancijos gamintojams dažnai per griežtos. UIUC technika sumažina šiuos apribojimus, nes sukuria natūralias vertikalias jungtis ir kartu išsaugo pageidaujamas vienakristalio silicio elektrines savybes.
Gamybos išeiga yra lemiamas veiksnys kiekvienai lustų gamyklai. Šiuo atveju komanda praneša apie 98-100 procentų gamybos išeigą naudojant standartinį vienakristalį silicį. Tokie skaičiai rodo, kad metodas galėtų būti perkeltas iš laboratorijos į gamybos liniją be katastrofiškų nuostolių. Be to, jis mažina energijos sąnaudas vienam skaičiavimui, nes sutrumpina jungtis ir leidžia signalams tarp sluoksnių keliauti tiesesniu keliu.
Temperatūra jau seniai yra viena didžiausių kliūčių sluoksniuotoje integracijoje. Kuriant papildomus aktyvius sluoksnius ant silicio kyla rizika, kad apatiniai sluoksniai bus paveikti aukštos temperatūros procesų, galinčių pažeisti grandines. UIUC grupė sukūrė šilumai palankią darbo eigą, kuri išlaiko procesą saugiose terminėse ribose ir kartu išsaugo kristalinio silicio elektrinius pranašumus. Būtent šis derinys, vienakristalio silicio našumas ir žematemperatūris sluoksnis po sluoksnio vykdomas procesas, daro šį metodą ypač įtikinamą.
Ką tai reiškia procesoriams ir atminčiai? Galima tikėtis kelių praktinių privalumų. Pirma, vertikalus tankinimas gali pratęsti veiksmingą Moore'o dėsnio gyvavimo laiką, nes daugiau tranzistorių sutalpinama tame pačiame plote nestumiant vartų matmenų į dar mažesnę pusę. Antra, mažėja delsos tarp sluoksnių ir energijos sąnaudos, nes signalai keliauja trumpesnius atstumus. Trečia, lustų projektuotojai gauna naują laisvės laipsnį: logiką, atmintį ir specializuotus spartintuvus galima paskirstyti vertikaliame sluoksnių pakete, o ne ištempti per vieną plokštumą.
Žinoma, inžinerija visada yra kompromisų grandinė. Šilumos valdymas, išeiga didelio masto gamyboje ir integracija į esamas puslaidininkių gamyklų ekosistemas vis dar išlieka iššūkiais. Tačiau šis recenzuotas ir žurnale Nature paskelbtas tyrimas perkelia diskusiją už teorijos ribų. Tai gairės, kurias kiti gamintojai ir tyrėjai gali tikrinti, tobulinti ir pritaikyti.
Jei vienakristalį silicį pavyks patikimai ir tausojančiai sluoksniuoti, galbūt rasime praktišką kelią į didesnę skaičiavimo galią nepasikliaudami vien vis mažesniais tranzistoriais.
Kiti žingsniai aiškūs: pakartoti rezultatus didesnėse gamyklose, patikrinti šilumines ribas realiose apkrovose ir pritaikyti projektavimo įrankių grandines mąstymui trimatėje erdvėje. Lenktynės dėl didesnio našumo tame pačiame plote dar toli gražu nesibaigė. Jos tiesiog įgijo naują kryptį: aukštyn.
Šaltinis: smarti
Palikite komentarą